Anforderungen an die Energienetze und Energieversorgung durch dezentrale Energiebereitstellung und -umwandlung

Allgemeine Informationen

Projektnummer	61807402
Projekttitel laut Förderbescheid	Hydrophobiewiederkehr
Akronym	NFG REACT
Projektlaufzeit	01.01.2022 - 31.12.2022
Forschungsschwerpunkt	Energie und Umwelt
Projektkategorie	Forschung
Zuordnung
Kompetenzfeld	Energie und Umwelt
Grundeinheit	Zittauer Institut für Verfahrensentwicklung, Kreislaufwirtschaft, Oberflächentechnik, Naturstofffors

Inhaltliche Projektbeschreibung

Mit der Nachwuchsforschergruppe (NFG) werden von der COVID-19-Pandemie betroffene (Nachwuchs-)WissenschaftlerInnen durch gemeinsame Forschungsarbeit und Kompetenzerweiterung zur Steigerung des Wissens- und Technologietransfers und zur Netzwerkbildung zwischen der HSZG und der regionalen Wirtschaft befähigt. Die Teilprojekte bearbeiten sehr unterschiedliche Aufgabenstellungen innerhalb des Forschungsschwerpunktes „Energie und Umwelt“ der HSZG. Sie liefern einen Beitrag zur Weiterentwicklung und Sicherung der Energiewirtschaft in Sachsen.

Teilprojekt I: Einfluss von Oberschwingungen auf das Isoliervermögen von Silikonelastomeren (Jun Ting Loh)

Basierend auf den Erkenntnissen aus bisherigen dielektrischen Untersuchungen wird in diesem Teilprojekt die kurzzeitige elektrische Festigkeit der Silikonelastomere bei Oberschwingungen untersucht. Der bestehende Versuchsstand soll angepasst werden, um Oberschwingungen nachzubilden. Dabei ist eine Prüfspannung aus zwei überlagerten Wechselspannungen (AC-AC) zu erzeugen. Als Prüflinge dienen sowohl ungefüllte als auch funktionell gefüllte Silikonelastomere, diese kommen z.B. in der Praxis in Mittelspannungs-Kabelgarnituren zum Einsatz.

Untersucht wird zunächst die elektrische Festigkeit der Silikonelastomere bei einer Wechselspannung (AC) mit verschiedenen Frequenzen und Temperaturen. Mit den Erkenntnissen zu deren Frequenz- und Temperaturabhängigkeit kann der Einfluss von Oberschwingungen konkret beschrieben werden. Dabei werden die Prüflinge mit einer überlagerten AC-AC Prüfspannung beansprucht. Die Versuche werden mittels kontinuierlichen Spannungssteigerungsversuchen durchgeführt, wobei die Spannung und Zeit beim Durchschlag messtechnisch ermittelt werden.

Die aus dem Projekt ermittelten Ergebnisse bieten der sächsischen Industrie eine Grundlage zur Entwicklung innovativer Ansätze im Hinblick der neuartigen elektrischen Belastung regenerativer Quellen. Neue und weiterführende Fragestellungen können in folgenden Forschungsprojekten als Bestandteil der Promotion untersucht werden und weitere Erkenntnisse ermöglichen. Der Promotionsabschluss ist im Jahr 2023 geplant. Die enge Zusammenarbeit zwischen Forschung und regionalen Industrie bietet Wissenstransfer und einen optimalen Berufseinstieg nach dem Promotionsabschluss.

Teilprojekt II: Angepasste Betriebskonzepte für Verteilnetze im Inselnetzbetrieb (Benjamin Küchler)

In diesem Teilprojekt werden die Auswirkungen der Energiewende auf den zuverlässigen Betrieb des Stromnetzes analysiert. Im Fokus stehen dabei der Wegfall konventioneller, steuerbarer Kraftwerke und der zunehmende Anschluss wetterabhängiger Erzeuger sowie die verstärkte Nutzung gleichstrom-basierter Techniken, wie Batteriespeicher oder die Wasserstoffsynthese. Durch den geplanten Ausstieg aus der Kern- und Kohleenergie sowie die Zunahme elektronisch geregelter Verbraucher wird die Ausbilanzierung der Verbraucher- und Erzeugerleitung zukünftig deutlich dynamischer und anspruchsvoller sein. Für den Fall einer großflächigen Störung des Verbundnetzes sind Konzepte für den regionalen Inselnetzbetrieb zur Notversorgung kritischer Infrastrukturen aufzustellen und Varianten des dezentralen Netz-Wiederaufbaus zu erstellen.

Dazu werden zunächst bestehende Studien zur Entwicklung des deutschen Energieversorgungssystems zusammengefasst und plausible Prognosen aufgestellt. Anhand des erarbeiteten Szenarios werden die technischen, personellen und politischen Anforderungen an den Aufbau einer Netzinsel ausgearbeitet. Dies erfolgt in ständiger Rücksprache mit Netz- und Kraftwerksbetreibern. Darauf aufbauend sind Modellstudien an real existierenden Netzstrukturen sowie nach Möglichkeit praktische Versuche im Netz durchzuführen. Dadurch werden bestehende Potenziale und die Grenzen der Machbarkeit aufgezeigt. Schließlich werden angepasste Betriebs- und Netz-Wiederaufbaukonzepte für den Notbetrieb mit Inselnetzen aufgestellt und für eine zuverlässige elektrische Energieversorgung Empfehlungen für zukünftige technische und politische Anpassungen formuliert.

Das Projekt fördert die Bindung von Kompetenzen zur dezentralen Energieversorgung an die HSZG bzw. den Forschungsstandort Sachsen. Ein stabiler Netzbetrieb ohne Kern- und Kohlekraftwerke ist Grundvoraussetzung für eine umweltschonende Energieversorgung und nimmt beim regionalen Strukturwandel, vor allem in der Lausitz, eine Schlüsselrolle ein. Die persönliche Qualifikation des Bearbeiters wird im Zuge des Forschungsprojektes weiter gesteigert. Das Mitwirken in der Lehre sowie die enge Zusammenarbeit mit regionalen Unternehmen während der Promotion gewährleisten den Wissenstransfer und generieren langfristig Fachpersonal für den Standort Sachsen.

Teilprojekt III: Hydrophobiewiederkehr an silikonbasierten Isoliermaterialien (Florian Praße)

In diesem Teilprojekt wird die intrinsische Materialregeneration von Silikonelastomeren betrachtet. Nachdem im bislang durchgeführten Forschungsvorhaben vor allem der Hydrophobieverlust von Silikonen nach kombinierter elektrischer und elektrolytischer Beanspruchung als erster Schritt vor der Wiederkehr beleuchtet wurde, soll nun der Fokus verstärkt auf die Regeneration (Hydrophobiewiederkehr) von silikonbasierten Isoliermaterialien gerichtet werden. Hierfür werden zunächst Silikonelastomere, nach bereits erarbeiteten Verfahren, mit frei einstellbaren Materialeigenschaften (Netzwerkdichte, Sol-Anteil) synthetisiert und im beschleunigten Alterungsverfahren des Dynamischen Tropfentests (DTT) bis zum Ausfall (Hydrophobieverlust) geschädigt. Die Probekörper werden ruhen gelassen, bis die Regeneration, durch Diffusion von unvernetzten, hydrophoben Bestandteilen an die Oberfläche des Materials erfolgt.

Durch Wiederholung des DTTs an bereits vorbelasteten Prüfkörpern wird die Qualität der Hydrophobiewiederkehr näher beleuchtet. Die Analyse unterstützend werden dynamische Kontaktwinkelmessungen (Hydrophobieuntersuchung), sowie REM-EDX-Aufnahmen zur Oberflächenelementaranalysen geschädigter Prüfkörper ausgeführt. Weiterhin wird die Hydrophobiewiederkehr an statischen Tests (eingebetteten Elektroden) untersucht, wonach in diesem Setup die Hydrophobie lokalisiert abgebaut werden kann. Dynamische Kontaktwinkelmessungen ermöglichen anschließend den analytischen Nachvollzug der Hydrophobiewiederkehr für diesen Versuchsaufbau.

Die Projektergebnisse sind ein Alleinstellungsmerkmal (für öffentlich zugängliche) Forschungsaktivitäten im Bereich der Isolierstoffforschung. Sie bilden zum einen die Basis für weitere Projekte zur Lebenszeitverlängerung von Verbundisolatoren, was zum Ressourcenschutz beiträgt. Zum anderen kann durch den Abschluss der Promotionsarbeit (geplant 2022) und die damit verbundene erfolgreiche Qualifizierung ein Beitrag zur Fachkräftesicherung in Sachsen im hochqualifizierten MINT-Bereich – in Wissenschaft oder auch Wirtschaft - geleistet werden. Beispielhaft genannt sei das Werk der WACKER AG in Nünchritz, in welchem Know-How der Silikonchemie (Isolatoren, Grundstoffe der Solarindustrie, …) sicher auch in Zukunft benötigt sein wird.

Teilprojekt IV: Dekarbonisierung von wärmetechnischen Industrieprozessen (Ulrike Gocht)

Mit Hilfe einer ingenieurtechnischen Analyse typischer Industrieprozesse werden mögliche Dekarbonisierungsmaßnahmen identifiziert. Anschließend wird die energetische und umwelttechnische Modellierung dieser Maßnahmen mit den Werkzeugen des Software-Tools Andema untersucht. Für Prozesse/Teilprozesse, deren Modellierung mit Hilfe der Datenbank ecoinvent nicht direkt möglich ist, erfolgt eine erste grob abschätzende umwelttechnische Modellierung auf der Basis verfügbarer Literaturdaten. Für die Berechnung und Korrektur des Primärenergiebedarfes von Prozessen mit Verwendung von Abfällen/Reststoffen in ecoinvent ist eine Analyse der Datenbankeinträge erforderlich. Es ist eine abschätzende Methodik zu entwickeln, wie die Primärenergieaufwendungen zu korrigieren sind und auf ausgewählte Prozesse anzuwenden. Es erfolgt die Kontaktaufnahme und Zusammenarbeit mit regionalen Firmen.

Die Nutzung des Software-Tools Andema ermöglicht die Einwerbung von Drittmitteln für die Hochschule Zittau/Görlitz. Auch die Einwerbung von Fördermitteln zur Weiterentwicklung des Software-Tools ist geplant, um eine Weiterbeschäftigung der Bearbeiter zu ermöglichen. Mit Hilfe des Software-Tools Andema werden regionale Unternehmen beim Umwelt- und Ressourcenschutz, besonders beim Übergang zu erneuerbaren Energieträgern unterstützt.

 

Weitere Daten

• Ansprechpartner

  • Herr Prof. Stefan Kornhuber (Projektleitung)
  • Herr Prof. Uwe Schmidt (Projektleitung)
  • Herr Prof. Jens Weber (Projektleitung)
  • Herr Prof. Tobias Zschunke (Projektleitung)
  • Frau Ulrike Gocht
  • Herr Benjamin Küchler
  • Frau Jun Ting Loh
  • Herr Dr. Florian Praße

• Fördermittelgeber

  • 100602773 - ESF/SAB
  
  
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